Тёмная материя, возможно, участвует в неизвестном виде фундаментальных взаимодействий
Тёмная материя, возможно, участвует в неизвестном виде фундаментальных взаимодействий
Фотоны из центра Галактики указывают на то, что частицы тёмный материи имеют массу в 30-35 ГэВ. Но попытки найти их в этом диапазоне в земных лабораториях (с помощью известных негравитационных взаимодействий) пока не слишком удачны. Не участвует ли ТМ в неизвестном пятом виде физических взаимодействий?
Гамма-телескоп «Ферми» не первый год намекает на наличие в центре нашей Галактики следов аннигиляции частиц тёмной материи (ТМ) - субстанции, вроде бы составляющей основную часть всего сущего и тем не менее до сих пор надёжно не зарегистрированной. Предполагается, что ТМ, как и обычная материя, имеет для своих частиц «тёмные» же античастицы, и рано или поздно такие «напарники» должны сталкиваться, порождая то же, что вещество, столкнувшееся с антивеществом, - поток частиц света, фотонов высоких энергий. Поскольку ТМ точно способна гравитационно взаимодействовать с обычной, то её притягивает к центру Галактики, плотнее всего упакованному материей. И вероятность подобной аннигиляции в ядре должна быть самой высокой, порождая заметный избыток гамма-излучения:
[Spoiler (click to open)]
Новое исследование, предпринятое учёными во главе с Танцу Дайланом (Tansu Daylan) из Гарвардского университета (США), в очередной раз попыталось проверить, так ли это, или загадочное излучение из центра Галактики всё же вызвано быстровращающимися нейтронными звёздами, также способными на гамма-излучение в наблюдаемом «Ферми» диапазоне.
Для этого учёные провели собственный анализ полученных космическим телескопом данных и заодно проверили выводы других групп, сделанные на сходной основе. «Обрезав» хвосты функциям рассеяния точек, описывающим зависимость распределения яркости излучения от координат в плоскости изображения, они получили более чёткую, чем когда-либо ранее, карту гамма-излучения, поступающего из ядра Млечного Пути. При этом оказалось, что излучение исходит из области диаметром в 5 000 световых лет, имеющей чёткую сферическую форму, со сверхмассивной чёрной дырой Стрелец А* в центре.
Как ни крути галактический диск, из его центра определённо исходит гамма-излучение неясной природы, причём центр этой области очень близок к СМЧД Стрелец А*. (Здесь и ниже иллюстрации Tansu Daylan.)
Энергия интересующих исследователей фотонов лежала в диапазоне 1-3 ГэВ. Для столь энергичных фотонов, считают астрофизики, симметричный сигнал из чётко очерченной области довольно трудно объяснить иначе как следами распада тёмной материи. Миллисекундные пульсары (нейтронные звёзды) слишком малочисленны, да и по пространственному распределению никак не могут быть разбросанными в этой сфере равномерно: плотность звёзд в ядре Млечного Пути, как и во всём его диске, резко меняется в зависимости от того, насколько выше или ниже плоскости диска эти светила находятся. Между тем сигнал, зарегистрированный «Ферми», виден даже на существенном удалении от центра Галактики (до десяти градусов), причём и вверх, и вниз от диска. Это, по сути, ставит крест на версии о нейтронных звёздах как источниках сигнала.
Если учёные действительно правы в интерпретации таких фотонов как следов ТМ, то невидимые частицы этого вида материи должны быть примерно в 30-35 раз тяжелее обычного протона, знакомого нам по атому водорода, то есть речь идёт о примерно 30-35 ГэВ. И это довольно странно, даже необъяснимо. Дело в том, что в этом диапазоне на Земле проведено множество экспериментов по поиску ТМ-частиц, и следы ТМ такого рода должны были давно проявиться. Но этого не случилось. Почему же?
Возможно, ответ на этот вопрос заключается в том, что мы не совсем верно представляем себе те взаимодействия, в которых ТМ-частицы участвуют. Современные теории считают, что ТМ-частицы и «нормальные» частицы взаимодействуют, обмениваясь либо Z-бозоном (переносчиком слабого взаимодействия), либо бозоном Хиггса, отвечающим за наличие у элементарных частиц их масс. Следовательно, в районе 30 ГэВ такие взаимодействия должны быть замечены экспериментаторами.
А вот если ТМ-частицы плевать хотели на Z-бозон и даже отчасти на его хиггсовского коллегу, то, конечно, зарегистрировать ТМ в таких опытах не получится, потому что ставить их надо несколько иным образом. Правда, тогда для взаимодействия ТМ-частиц и обычных нужен другой, ещё неведомый... Да-да, требуется пятое, неизвестное фундаментальное взаимодействие. «Было бы просто здорово, если бы, открывая тёмную материю, мы попутно открыли бы и новый вид физических взаимодействий», - говорит Трэйси Слэйтир (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института (США).
Вам не по себе от таких предположений? После этих слов мы тоже огляделись по сторонам, проверяя, живём ли мы в том же мире, где проснулись утром. И всё же, если сигналы «Ферми» интерпретированы верно, вероятность существования пятой силы начинает выглядеть много более реальной, чем прежде. Как вы понимаете, это будет означать существенную корректировку физики - даже более существенную, чем после бозона Хиггса.
Обработка полученных гамма-телескопом сырых данных (слева и справа - итоги обработки) оставила чёткое превышение фона, особенно сильное в диапазоне 1-3 ГэВ.
Напрашивается, как говорил классик, вопрос: «Яка розумная цьому альтернатiва?» Очевидно, остаётся одно: сигнал «Ферми» может быть вообще не связан с тёмной материей. Как же так, вроде бы миллисекундные пульсары не подходят на роль альтернативных источников? Среди прочего миллисекундные пульсары обычно выдают гамма-излучение, по энергии частиц уступающее даже 1 ГэВ... Ну, один вариант всё же есть. «Это могли бы быть пульсары такого типа, о которых мы ещё ничего не знаем», - предполагает Кеворк Абазаджян (Kevork Abazajian), астроном из Калифорнийского университета в Ирвайне (США). Конечно, это более комфортная версия, соглашается он: «Проще думать о новом классе нейтронных звёзд, чем о целом новом типе материи».
Как бы нам всё-таки отделить неведомые пульсары от не менее загадочной пятой силы и выяснить, что из этих двух вариантов правда? Есть кое-какие возможности: вокруг Млечного Пути присутствует пара дюжин карликовых галактик-спутников, в которых, по идее, удельный вес тёмной материи должен быть существенно больше, чем в нашей Галактике. То есть и распадаться там она должна интенсивнее. Уже сейчас за ними ведутся наблюдения, которые в скором времени смогут показать нам, есть ли в таких местах сигналы, подобные тем, что видит «Ферми» в нашем галактическом ядре.
По факту та же коллаборация «Ферми» уже дала данные, указывающие на регистрацию следов аннигиляции ТМ в галактиках-спутниках с вероятностью в 2-3σ. И если дело дойдёт до 5σ, то сцепка «тёмная материя - новый вид физических взаимодействий» может стать передним краем современной физики.
Отчёт об исследовании предполагается опубликовать в журнале Physical Review D, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
Подготовлено по материалам Nature News.
Фотоны из центра Галактики указывают на то, что частицы тёмный материи имеют массу в 30-35 ГэВ. Но попытки найти их в этом диапазоне в земных лабораториях (с помощью известных негравитационных взаимодействий) пока не слишком удачны. Не участвует ли ТМ в неизвестном пятом виде физических взаимодействий?
Гамма-телескоп «Ферми» не первый год намекает на наличие в центре нашей Галактики следов аннигиляции частиц тёмной материи (ТМ) - субстанции, вроде бы составляющей основную часть всего сущего и тем не менее до сих пор надёжно не зарегистрированной. Предполагается, что ТМ, как и обычная материя, имеет для своих частиц «тёмные» же античастицы, и рано или поздно такие «напарники» должны сталкиваться, порождая то же, что вещество, столкнувшееся с антивеществом, - поток частиц света, фотонов высоких энергий. Поскольку ТМ точно способна гравитационно взаимодействовать с обычной, то её притягивает к центру Галактики, плотнее всего упакованному материей. И вероятность подобной аннигиляции в ядре должна быть самой высокой, порождая заметный избыток гамма-излучения:
[Spoiler (click to open)]
Click to viewНовое исследование, предпринятое учёными во главе с Танцу Дайланом (Tansu Daylan) из Гарвардского университета (США), в очередной раз попыталось проверить, так ли это, или загадочное излучение из центра Галактики всё же вызвано быстровращающимися нейтронными звёздами, также способными на гамма-излучение в наблюдаемом «Ферми» диапазоне.
Для этого учёные провели собственный анализ полученных космическим телескопом данных и заодно проверили выводы других групп, сделанные на сходной основе. «Обрезав» хвосты функциям рассеяния точек, описывающим зависимость распределения яркости излучения от координат в плоскости изображения, они получили более чёткую, чем когда-либо ранее, карту гамма-излучения, поступающего из ядра Млечного Пути. При этом оказалось, что излучение исходит из области диаметром в 5 000 световых лет, имеющей чёткую сферическую форму, со сверхмассивной чёрной дырой Стрелец А* в центре.
Как ни крути галактический диск, из его центра определённо исходит гамма-излучение неясной природы, причём центр этой области очень близок к СМЧД Стрелец А*. (Здесь и ниже иллюстрации Tansu Daylan.)
Энергия интересующих исследователей фотонов лежала в диапазоне 1-3 ГэВ. Для столь энергичных фотонов, считают астрофизики, симметричный сигнал из чётко очерченной области довольно трудно объяснить иначе как следами распада тёмной материи. Миллисекундные пульсары (нейтронные звёзды) слишком малочисленны, да и по пространственному распределению никак не могут быть разбросанными в этой сфере равномерно: плотность звёзд в ядре Млечного Пути, как и во всём его диске, резко меняется в зависимости от того, насколько выше или ниже плоскости диска эти светила находятся. Между тем сигнал, зарегистрированный «Ферми», виден даже на существенном удалении от центра Галактики (до десяти градусов), причём и вверх, и вниз от диска. Это, по сути, ставит крест на версии о нейтронных звёздах как источниках сигнала.
Если учёные действительно правы в интерпретации таких фотонов как следов ТМ, то невидимые частицы этого вида материи должны быть примерно в 30-35 раз тяжелее обычного протона, знакомого нам по атому водорода, то есть речь идёт о примерно 30-35 ГэВ. И это довольно странно, даже необъяснимо. Дело в том, что в этом диапазоне на Земле проведено множество экспериментов по поиску ТМ-частиц, и следы ТМ такого рода должны были давно проявиться. Но этого не случилось. Почему же?
Возможно, ответ на этот вопрос заключается в том, что мы не совсем верно представляем себе те взаимодействия, в которых ТМ-частицы участвуют. Современные теории считают, что ТМ-частицы и «нормальные» частицы взаимодействуют, обмениваясь либо Z-бозоном (переносчиком слабого взаимодействия), либо бозоном Хиггса, отвечающим за наличие у элементарных частиц их масс. Следовательно, в районе 30 ГэВ такие взаимодействия должны быть замечены экспериментаторами.
А вот если ТМ-частицы плевать хотели на Z-бозон и даже отчасти на его хиггсовского коллегу, то, конечно, зарегистрировать ТМ в таких опытах не получится, потому что ставить их надо несколько иным образом. Правда, тогда для взаимодействия ТМ-частиц и обычных нужен другой, ещё неведомый... Да-да, требуется пятое, неизвестное фундаментальное взаимодействие. «Было бы просто здорово, если бы, открывая тёмную материю, мы попутно открыли бы и новый вид физических взаимодействий», - говорит Трэйси Слэйтир (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института (США).
Вам не по себе от таких предположений? После этих слов мы тоже огляделись по сторонам, проверяя, живём ли мы в том же мире, где проснулись утром. И всё же, если сигналы «Ферми» интерпретированы верно, вероятность существования пятой силы начинает выглядеть много более реальной, чем прежде. Как вы понимаете, это будет означать существенную корректировку физики - даже более существенную, чем после бозона Хиггса.
Обработка полученных гамма-телескопом сырых данных (слева и справа - итоги обработки) оставила чёткое превышение фона, особенно сильное в диапазоне 1-3 ГэВ.
Напрашивается, как говорил классик, вопрос: «Яка розумная цьому альтернатiва?» Очевидно, остаётся одно: сигнал «Ферми» может быть вообще не связан с тёмной материей. Как же так, вроде бы миллисекундные пульсары не подходят на роль альтернативных источников? Среди прочего миллисекундные пульсары обычно выдают гамма-излучение, по энергии частиц уступающее даже 1 ГэВ... Ну, один вариант всё же есть. «Это могли бы быть пульсары такого типа, о которых мы ещё ничего не знаем», - предполагает Кеворк Абазаджян (Kevork Abazajian), астроном из Калифорнийского университета в Ирвайне (США). Конечно, это более комфортная версия, соглашается он: «Проще думать о новом классе нейтронных звёзд, чем о целом новом типе материи».
Как бы нам всё-таки отделить неведомые пульсары от не менее загадочной пятой силы и выяснить, что из этих двух вариантов правда? Есть кое-какие возможности: вокруг Млечного Пути присутствует пара дюжин карликовых галактик-спутников, в которых, по идее, удельный вес тёмной материи должен быть существенно больше, чем в нашей Галактике. То есть и распадаться там она должна интенсивнее. Уже сейчас за ними ведутся наблюдения, которые в скором времени смогут показать нам, есть ли в таких местах сигналы, подобные тем, что видит «Ферми» в нашем галактическом ядре.
По факту та же коллаборация «Ферми» уже дала данные, указывающие на регистрацию следов аннигиляции ТМ в галактиках-спутниках с вероятностью в 2-3σ. И если дело дойдёт до 5σ, то сцепка «тёмная материя - новый вид физических взаимодействий» может стать передним краем современной физики.
Отчёт об исследовании предполагается опубликовать в журнале Physical Review D, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
Подготовлено по материалам Nature News.